Energia Solar Fotovoltaica Sistemas de Energia – SIE Aula 12 Módulo VIII

Introdução Como é possível converter os raios solares em energia elétrica? Que tipos de sistemas fotovoltaicos (SFV) existem atualmente?

Energia Solar Fotovoltaica Os raios solares fornecem ao nosso planeta energia gratuita e limpa; Além de trazerem luz e calor à Terra, podem ser aproveitados para gerar eletricidade; Isso é feito através do efeito Fotoelétrico.

Radiação solar Definição: Energia do Sol transmitida ao nosso planeta através de ondas eletromagnéticas de diferentes comprimentos e frequências; Uma pequena parte dessas ondas pode ser captada pelo olho humano.

Radiação solar

Radiação solar Ao incidirem sobre determinados materiais, podem produzir alterações nas suas propriedades elétricas e originar tensões e correntes elétricas. Um dos efeitos da radiação solar sobre determinados materiais é o efeito fotovoltaico.

Irradiância Solar É a grandeza empregada para medir a radiação solar. Também chamada de irradiação, é expressa em W/m² (potência por área). Na superfície terrestre, a irradiância de 1000W/m² é adotada como padrão na indústria fotovoltaica.

Efeito Fotovoltaico É o casamento de duas palavras: FOTO: que tem sua raiz na língua grega e significa “luz”; VOLTAICO: que vem de “volt”, unidade de medida de tensão elétrica. Constitui na conversão direta de luz solar em energia elétrica. A tecnologia empregada são as células fotovoltaicas, formadas pela junção de dois semicondutores (junção PN).

Efeito Fotovoltaico Células fotovoltaicas (FV):

Efeito Fotovoltaico Quando não estão iluminados, os elétrons e lacunas permanecem presos pela camada de depleção; Quando iluminada, a camada N é tão fina que a luz pode penetrar nesse material e descarregar sua energia sobre os elétrons, fazendo com que eles sejam atraídos pelas lacunas.

Efeito Fotovoltaico Com a interligação das bases metálicas superior e inferior, cria-se um caminho para esses elétrons percorrerem, gerando corrente elétrica (recombinação).

Tipos de Células Fotovoltaicas Existem diversas tecnologias para fabricação de células e módulos FV, sendo as mais comuns: Silício monocristalino; Silício policristalino; Filmes finos (thin films). Cristal de quartzo Bloco de Si ultrapuro

Silício Monocristalino Estrutura cristalina única em forma de linguote, que é então “fatiada” criando wafers. Estes wafers recebem impurezas em ambas as faces formando as camadas P e N; Possuem aspecto uniforme, azulado ou preto, e alcançam eficiências de 15 a 18%; São rígidas e quebradiças, devendo ser montadas em módulos para adquirir resistência elétrica;

Silício Policristalino Processo de fabricação mais barato em relação ao monocristalino; Linguote formado de pequenos cristais, que é então “fatiado” criando wafers, que originam as células FV; Possuem aparência heterogênea e são encontrados na cor azul. Percebem-se manchas na sua coloração; Alcançam eficiências entre 13 e 15%; Também são rígidas e quebradiças.

Silício cristalino Monocristalino Policristalino

Filmes Finos São uma tecnologia mais recente, formada a partir da disposição de finas camadas de materiais (Si ou outros) sobre uma base rígida ou flexível; São fabricados em diferentes dimensões, dependendo da área do módulo; Tem custo baixo, porém, baixa eficiência (7,9 a 9,5%), e necessitam de áreas maiores para produzir a mesma energia que as tecnologias cristalinas.

Tipos de Células Fotovoltaicas Tecnologias: cristalinas.

Tipos de Células Fotovoltaicas Tecnologias: Filmes finos e ultrafinos.

Módulo Fotovoltaico Também chamados de placa ou painel FV; Uma célula sozinha produz pouca eletricidade, então várias células são conectadas, dando origem aos painéis FV.

Módulo Fotovoltaico Conjunto de células FV montadas sobre uma estrutura rígida e conectadas eletricamente para produzir tensões e correntes maiores.

Módulos Fotovoltaicos Comerciais No mercado fotovoltaico, são encontrados módulos para os seguintes valores de potência máxima, tensão e correntes máximas: Si cristalino: 50W - 300W, 30V, 8A; Filmes Finos: 50W - 115W, 70V, corrente baixa.

Módulo Fotovoltaico - Funcionamento Uma célula FV fornece cerca de 0,6V; Para produzir módulos com tensões maiores, os fabricantes conectam várias células em série; Tipicamente um módulo tem 36, 54 ou 60 células; Já a corrente depende de sua área para a captação da luz.

Curvas características Um módulo FV não se comporta como uma fonte elétrica convencional; Não apresenta tensão de saída constante. A tensão depende da corrente e vice-versa; Seu ponto de operação depende do que está conectado aos seus terminais.

Curvas características A relação entre a tensão e a corrente de saída é a curva I-V; Para cada curva I-V existe uma curva P-V correspondente;

Curvas características Percebem-se três pontos de destaque nas curvas características: Na curva I-V: Isc (corrente de curto-circuito), Voc (tensão de circuito aberto); Na curva P-V: PMP (ponto de máxima potência, correspondente à Imp e Vmp na curva I-V)

Curvas características Existe um único ponto nas curvas que corresponde à situação na qual o módulo fornece a potência máxima. Idealmente, deve-se operar nesse ponto, pois nessa situação a produção de energia é maior. Na prática são utilizados inversores equipados com rastreamento do PMP (em inglês Maximum Power Point Tracking - MPPT). Nenhum valor de tensão ou corrente fora dessas curvas é possível.

Curvas características Influência da radiação solar: a corrente elétrica é diretamente proporcional à intensidade de radiação solar que incide sobre as células. A tensão sofre pouca variação. Influência da Temperatura: a tensão é inversamente proporcional à temperatura dos módulos. A corrente não sofre variação.

Curvas características Influência da radiação: Influência da temperatura:

Características Elétricas em STC (Standard Test Conditions) É uma das partes mais importantes da folha de dados de um painel FV: 1000W/m² e 25ºC. Constituem: Máxima potência (Pmp); Tensão e corrente de potência máxima (Vmp e Imp); Tensão de circuito aberto (Voc); Corrente de curto-circuito (Isc).

Características Elétricas em STC (Standard Test Conditions)

Características Elétricas em STC (Standard Test Conditions)

Arranjos Fotovoltaicos Os SFV podem empregar um grande número de módulos conectados em série e/ou em paralelo. Conexão em série: aumenta a tensão de saída. Conexão em paralelo: aumenta a corrente de saída.

Conexão em Série

Conexão em Paralelo

Conexão Série-Paralelo

Sombreamento de Módulos FV Um módulo FV sujeito a uma sombra causada por um obstáculo pode deixar de produzir energia mesmo se apenas uma de suas células estiver recebendo pouca luz; Por estarem conectadas em série, as células de um módulo dependem umas das outras para produzir corrente; O mesmo ocorre com os módulos conectados em série: se um deles estiver recebendo menos luz, a corrente de todo o conjunto é reduzida.

Sombreamento de Módulos FV Desta forma o funcionamento de todo o arranjo FV é prejudicado. Para minimizar tais efeitos, os fabricantes adicionam diodos bypass ligados em paralelo com um grupo com um certo número de células.

Sombreamento de Módulos FV

Eficiência dos Módulos Fotovoltaicos Alguns fabricantes fornecem em sua folha de dados a eficiência dos módulos, Quando isto não está disponível, é possível calcular este valor. Eficiência = Pmp / (Ap x 1000). Onde Ap é a área do painel FV (largura x altura), em m², e Pmp é a máxima potência fornecida pelo painel FV, em Watts.